Badania mikrograwimetryczne zjawisk zachodzących w ławicach piaskowca pod wpływem eksploatacji pokładu węgla

Seria: -^GÓRNICTWO z. 145 l i r k o l . 8 8 5

Zbigniew FAJKLEi/ICZ, Krzysztof JAKIEL

Międzyresortowy Instytut Geofizyki Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

BADANIA MIKROGRAWBIETRYCZNE ZJAY/ISK ZACHODZĄCYCH W ŁAWICACH PIASKOWCA POD WPŁYWEM EKSPLOATACJI POKŁADU WĘGLA*^

Streszczenie. W opracowaniu przedstawiono wyniki badań mikrogra- wimetrycznych wykonanych w części NE obszaru górniczego KWK "Szom­

bierki". Celem tych prac było wykrywanie^uskoków, szczelin przeci­

nających ławice piaskowców, stref pęknięć i osłabień w nich wystę­

pujących. Ławice piaskowca zalegają w górotworze otaczającym przy­

gotowywane do eksploatacji partie pokładów warstw siodłowych.

Przeprowadzone pomiary mikrograwimetryczne umożliwiły wykrycie 8 uskoków i szczelin przecinających ławice piaskowców.

Sześć z.nich zidentyfikowano już w trakcie eksploatacji pokła­

dów 501, 507 w badanym rejonie.

Wyniki badań przyczyniły się do określenia stopnia zagrożenia możliwością wystąpienia tąpań lub wstrząsów w rejonie objętym ob­

serwacjami mikrograwimetrycznymi.

1. WSTĘP

Pierwsze badania grawimetryczne, których zadaniem było wyjaśnienie określonych problemów geologii i geomechaniki górniczej, rozpoczęto w 1956 r. [4 ]. W następnych latach rozszerzenie tematyki prac naukowo-ba­

dawczych realizowanych dla potrzeb górnictwa spowodowało konieczność wy­

odrębnienia się nowego obszaru naukowych dociekań mikrograwimetrii górni­

czej. Praktycznie stosuje się ją dla celów poszukiwania rozwiązań.zagad­

nień związanych z:

- tektoniką nieciągłą górotworu, [5 ], [7]

- formami erozyjnymi i krasowymi, [6]

- pustkami poeksploatacyjnymi, starymi wyrobiskami górniczymi, [9 ] - ze stanem górotworu naruszonego eksploatacją, [1 0 ] , [1 1 ], [13]

- ze wstrząsami górniczymi [1 2 ] , § 4] , [15] , [1 6 ] , [17] •

XJPraca ta stanowi część tematu 01.4 - pt. "Zapobieganie zagrożeń .om nikającym z podziemnej eksploatacji złóż węgla i ich zwalczanie’“ która wykonana została w ramach prac badawczych Głównego Instytutu Gór lic twa.

Z. Fajklewicz, K. Jakiel

2. CEL BADAŃ

Podstawowy cel podziemnych badań mikrograwimetrycznych 7iykonywanych w kopalniach węgla kamiennego stanowi szukanie relacji czasowych zmian mikro- anomalii siły ciężkości do zjawisk zachodzących w ławicach piaskowca wys­

tępujących nad i pod przemieszczającą się eksploatowaną ścianą w pokła­

dzie węgla. Uzyskane obserwacje wskazują kierunki przemieszczeń stref za­

burzeń gęstośćiowych, koncentrację zaburzeń wokół krawędzi pokładów, us­

koków. Możemy rejestrować proces odkształcania gęstościcwego górotworu w czasie prac górniczych i po ich zakończeniu [8], [15], [16], |j7i Odpo­

wiednio dobrana metodyka podziemnych pomiarów pozwala na wykrywanie usko­

ków, szczelin przecinających ławicę piaskowca, obszarów pęknięć i osła­

bień w niej występujących. Często ujawniają się pod wpływem eksploatacji i ich aktywność określają różnicowe anomalie siły ciężkości zmienne w cza­

sie. Oczywiste więc staje się stwierdzenie, że obserwacje wielokrotne tych stref umożliwiają wskazanie miejsc prawdopodobnego zagrożenia, sprzy­

jających powstaniu wstrząsów.

Dla osiągnięcia wymienionych celów obserwacji metodę czasowych zmian mikroanomalii siły ciężkości zastosowano w kilku kopalniach węgla kamien­

nego niecki bytomskiej. Mierzone wartości makroanomalii siły ciężkości i obliczone na ich podstawie różnicowe mikroanomalie siły ciężkości śledzi­

ły zmiany przestrzenno-czasowego rozkładu gęstościowego górotworu naruszo­

nego eksploatacją górniczą i umożliwiły wysunięcie sugestii odnośnie do stanu naprężeń w górotworze i prognozy zagrożenia.

Ten referat poświęcamy wynikom badań uzyskanych w KY/K "Szombierki" dla rozeznania możliwości występowania uskoków, pęknięć i szczelin w górotwo­

rze otaczającym przygotowywane do' eksploatacji ściany i zabierki w pokła­

dzie 504.

- Prowadzona eksploatacja w latach siedemdziesiątych i z początkiem lat osiemdziesiątych w pokładzie 501 powyżej tego rejonu i w pokładach 507 i 509/510 poniżej była dosyć trudna, często wręcz niemożliwa. Ławice pias­

kowca zalegające w otoczeniu tych pokładów były i są źródłem emisji ener­

gii sprężystej uwidaczniającej się w postaci wstrząsów górniczych. Szcze­

gólne niebezpieczeństwo niosą zaburzenia budowy warstw piaskowcowych.

3. P0DSTA17Y CZASOWYCH ZMIAN MIKROANOMALII SIŁY CIĘŻKOŚCI

✓

Metoda ta polega na wykonywaniu periodycznych obserwacji mikrograwi- metrycznych w wybranych profilach w otoczeniu rejonów zagrożonych, podle­

gających eksploatacji. Przedmiotem analizy są obliczone różnicowe mikro- anomalie siły ciężkości pomiędzy kolejnymi seriami pomiarowymi

[s]

A g i+1 - & Bl

A S i+1 - A Si-1

A ®i+1 ' A ®i-2

A c i+1 “ A s 1 ’

gdzie : i = 1,...,n.

Zawsze odejmuje się w punkcie wartość mikroanomalii siły ciężkości obliczoną w serii wcześniejszej od wartości w danej serii. Anomalie róż­

nicowe żig^+1 - A g ^ noszą skrótowa nazwę RBGA = anomalie wstrząsowe.

U podstaw metody leży zjawisko dylatancji« Zależność naprężenia wielo­

osiowe - odkształcenia objętościowe skał nie jest liniowa w całym zakre­

sie naprężeń [i], [?], [3]« Przy określonych rosnących wartościach na­

prężeń następuje wolniejsze zmniejszenie objętości niż wynikające z te­

orii odkształcenia sprężystego, poten objętość gwałtownie wzrasta. Cyklo­

wi zmian objętościowych muszą towarzyszyć zmiany gęstości skał [16] . A więc RBGA osiągną minimum w momencie wstrząsu.

Inny model - model pękania lawinowo-niestabilnego [13] - wykazuje cykl odkształceń objętościowych, którym też odpowiada przejście RBGA od dodat­

nich do ujemnych. Tu RBGA osiąga minimum tuż przed wstrząsem. Realizując zadania metody wyznaczamy przyrosty RBGA niosące informacje o stabilności górotworu w otoczeniu profilu obserwacyjnego.

4. REJON BADAŃ

Systematyczne obserwacje mikrograwimetryczne w KWK "Szombierki" wyko­

naliśmy w profilach badawczych (rys. 1), wyznaczonych w przekopie II wschodnim 2 pokładu 504 pod pokładem 417 na poz. 630 m (punkty 201-223), w przekopie na wschód pod pokł. 417 poz. 630 m (punkty 241-255), w prze­

kopie zachodnim pod pokładem 417 poz. 630 m (punkty 230-236) w NE części Obszami górniczego kopalni. Poniżej tych profili prowadziliśmy prace po­

miarowe na poz. 790 m w chodniku podstawowym pod pokł. 510 poz. 790 m (punkty 51-81) na E od pola osadników i w przekopie wodnym pod pokładem 509/510 (punkty 101-137). Całkowita długość ciągu obserwacyjnego wyniosła O,koło 1500 m na poz. 630 m i 1550 m na poz. 790 m. Punkty bazowe { ?G-2 na poz. 630 m, BG-1 na poz. 790 m) stabilizowaliśmy ok. 90 m na pćtnoc od szybika IX w przybliżeniu nad sobą.

Z. Fajklewicz, K. Jakiel

?-suin-ßV

•H O> n ca *h

s ' 0) 43

•H S . £ O

£0 N +> CO T3ca s

o «

CD <D

ca «h

CO 43 43 S

£ a>

'O N O -Ho

>p>pni

Profil mikrograwimetryczny na poz. 630 m (rys. 1) rozpoczyna się w strofie południowego skrzydła niecki bytomskiej. Warstwy, grupy siodłowej zapadają tu na północ, przechodząc przez przekop II wschodni poz. 630 m.

W części centralnej i północnej profilu warstwy siodłowe zapadają na NW pod iątem ok. 7° i biegną poniżej niego. Początek linii obserwacyjnej znajduje się pod strefą krawędzi pokładów (413, 414,...,419) warstw rudz­

kich grupy łękowej i w rejonie wyeksploatowanym w warstwach siodłowych (pokł. 501, 504, 509) grupy siodłowej. Dalej na północ pod profilem za­

kończono eksploatację w pokł. 501 ś c . 3a, w pokł. 507 śc. 9 i 10. W po­

kładzie 504 przygotowuje się uruchomienia ścian 26, 16, 24, 14.

Profil na poz. 790 m (rys. 1) przebiega po rozciągłości z W na E pod pokł. 509/510 (punkty 51-81) i skręca na NE, leżąc skośnie poniżej profi­

lu n a poz. 630 m (punkty 1 0 1 - 1 3 7 ) . W spągu tych przekopów znajduje się piaskowiec ze sferosyderytami warstw porębskich grupy brzeżnej.

5. METODYKA PODZIEMNYCH 3 AD Al) MIKROGRAWIMETRYCZNYCH

Na obu poziomach stabilizowaliśmy co 20 m w profilach obserwacyjnych 120 punktów pomiarowych. Zostały one wyznaczone w sposób umożliwiający jednoznaczną identyfikację. W trakcie pomiarów mikrograwimetrycznych każ­

dej serii pracownicy działu mierniczego kopalni wyznaczali wysokość punk­

tów pomiarowych z dokładnością - 0,'01 m.

Obserwacje mikrograwimetryczne każdej serii wykonaliśmy wysokoczułym grawimetrem Worden-Master mierzącym z dokładnością - 0,1 u m • s- 2 . Dowią- zywanie obserwacji mikrograwimetrycznych do punktów bazowych (BG-1 poz.

790 m i BG-2 poz. 630 m) odbywało się za pomocą punktów pośrednich pomoc­

niczych bazowych nr 221 poz. 630 i nr 120 poz. 790.m. Punkty bazowe były położone w rejonach o dużej stabilności (stała wysokość, brak drgań spągu).

Wysokość tych punktów kontrolowano wielokrotnymi dowiązaniami do reperów geodezyjnych przy szybiku IX.

W punkcie bazowym BG-2 poz. 630 m wyznaczono bazową względną wartość obserwowanej siły ciężkości

BG-2 } gQ = 100,000ju m.s"”2

Świadczy to o pomiarach w tzw. układzie lokalnym. Poprzez szybik IX wyko­

naliśmy dowiązanie wielokrotne punktu BG-2 do punktu BG-1 poz. 790 m, wyz­

naczając w tym ostatnim bazową wartość:

BG-1 | gQ = 244,300/i m.s~2

\

25ó Z. Fajklewicz, K. Jakiel

Znając dokładną odległość pionową punktów bazowych BO-1 i BG-2, obli­

czyliśmy średnia gęstość kompleksu skalnego pomiędzy poziomami badawczy­

mi (ę = 2,57*10? kg.m“^) dla potrzeb redukcji. Obserwacje wypełniające w sieci punktów obserwacyjnych realizowaliśmy wg schematu*

A — 101,..., 110, A, 111, •**, 120, A, .**, A, BG, A, BG,

gdzie A - pomocniczy punkt bazowy.

Czas pomiarów w punktach wypełniających był 4-krotnie krótszy od nor­

matywnego czasu liniowości dryftu grawimetru używanego do tych obserwacji.

Dla podniesienia dokładności wyznaczenia wartości siły ciężkości pomiary powtarzano w całości w niezależnych ciągach pomiarowych każdej serii badań.

Błędy średnie kwadratowe pojedynczej obserwacji wyniosły w poszczegól­

nych seriach*

poziom 630 m

Mol ^{a + 0,08/xm.s-2} M o ll

a •+ «•2

0,06 yUm.B M oIII

+

3

T

M0v

poziom 790 m Mol ^{a «■+}

- 2

0,09 //m.s M o ll

a •+ -2

0,04 //m.s

\

M o lll

-

MoVI

m mm+

_2 0,12//m.s

M ol ⁱ

«.O 0,16/im.s

gdzie*

I-V - numery serii pomiarów, które zostały wykonane w następujących interwałach czasowych,

seria I - pomiar bazowy seria XI - po 4 tygodniach seria III - po 8,5 miesiącach seria IV - po 9 miesiącach seria V - po 11 miesiącach

Na rysunku 1 wykryte uskoki i szczeliny przedstawiono na tle zmian mikroanomalii siły ciężkości, które ujawniły się między seriami I i V.

Za podstawę kwalifikowania obserwowanych nieciągłości (szczeliny lub pęknięcia piaskowca) przyjęto czasowe zmiany wartości anomalii siły cięż­

kości, gdyż powstają one w procesie eksploatacji. Natomiast nieciągłości obserwowane już w pierwszej serii pomiarowej uznano za uskoki, bowiem są to zjawiska pierwotne w stosunku do zmian zachodzących w górotworze pod wpływem eksploatacji.

6. WYNIKI PODZIEMNYCH POMIARÓW MIKROORAWIMETRYCZNYCH

Na podstawie wyników obserwacji obliczyliśmy mikroanomalie siły cięż­

kości w podwójnej redukcji Bouguera [14].

A g „ A g o + A g BB - f Q,

m f

gdzie:

A S0 - wartość obserwowanej siły ciężkości,

A g BB - wartość podwójnej redukcji Bouguera w punkcie pomiarowym, - wartość normalna siły ciężkości obliczona wg wzoru Helmerta

1904 r. (1911 r.).

Przedstawione na rys. 1 rozkłady mikroanomalii siły ciężkości w posz­

czególnych profilach w formie poziomych układów ódzwieroiedlają budowę geologiczną badanego rejonu. Na poz. 630 m odpowiada on formie niecki z uskokami przecinającymi skrzydło niecki w rejonie punktów 202, 205, 208 Ich łączny zrzut wynosi do 15 m, a rozciągłość jest mniej więcej prosto­

padła do profilu. Są one oznaczone numerami 1 , 2 , 3 (rys. 1).

Dalej rozkład ma zgodność z morfologią warstw siodłowych. Ujemną ano­

malię z ekstremum w punkcie pomiarowym 220 wiążemy z chwilowym położeniem krawędzi ściany 9 pokładu 507«

Informacji o nieoiągłościach górotworu dostarcza rozkład makroanomalii pomiędzy punktami 224-241-255. Piaskowiec pomiędzy pokładem 501 a p. 504 wg tego rozkładu jest przecięty szczelinami (pęknięciami). Szczeliny te oznaczone są. numerami 4, 5, 6, (rys. 1) w pobliżu punktów 243, 246, 252.

Ich przebieg ze względu na pomiar w jednym profilu nie jest możliwy do wyznaczenia. Z wykonanej wyżej analizy wyłączono odcinek profilu zawarty między punktami 230 i 236. Chodnik na tym odcinku ma dużą krzywiznę, któ­

ra w rozkładzie mikroanomalii siły ciężkości ujawnia się w postaci lokal­

nego minimum, jak to zaznaczono na rys. 1.

Morfologia warstw siodłowych znajduje również odbicie w rozkładzie mi­

kroanomalii siły ciężkości na poz. 790 m. Zwraca uwagę możliwość występo­

wania pęknięcia lub uskoku przecinającego chodnik podstawowy pod pokładem 509/510 poz. 790 m pomiędzy punktami 62-63 (oznaczony nr 7). Występowa­

nie na tym poziomie uskoku oznaczonego nr 8 (pomiędzy punktami 117-119)

253 Z. Pajklewicz, K. Jakiel

świadczy, że uskok zidentyfikowany w pokładzie 504 może obejmować strefę do pokładu 509/510 i poniżej.

7. WNIOSKI

Ocena zjawisk dynamicznych mających miejsce w okresie wykonywania na­

szych badań, wiążąca się z możliwością wystąpienia wstrząsów górniczych i deformacji górotworu, została omówiona w publikacji [1 7 ] •

Praca ta poświęcona została wyłącznie problemowi wykrywania tworzących się pęknięć w ławicach piaskowca pod wpływem eksploatacji.

Jak przedstawiono na rys. 1, wykryliśmy 8 szczelin, przecinających ła­

wicę piaskowców.

Wyniki zrealizowanej pracy przyczyniły się do określenia stopnia zagro­

żenia możliwością wystąpienia tąpań lub wstrząsów w pokładzie 501 i 507«

Spośród 8 wymienionych szczelin, uskoków, sześć zostało stwierdzonych w trakcie eksploatacji tych pokładów.

'Wykonane badania mają również znaczenie dla planowanej eksploatacji pozostałości pokładów warstw siodłowych w tym rejonie.

LITERATURA

[1] Bieniawski Z.T.: Mechanism of brittle fracture of rocks, Internatio­

nal Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 4, 1967, 395-430.

[2 ] Brace W.F.: Volume changes during fracture and frictional sliding - a review, Pageopch 116, 1978, 603-614.

[3 ] Brace W.F., Paulding B.W., Jr and Scholzs C. 1966 - Dilatancy in the fracture of crystalline rocks, Journal of Geophysical Research 71, 3939-3953- •

[4 ] Fajklewicz Z.: 0 podziemnych pomiarach grawimetrycznych w zastosowa­

niu górnictwa węglowego. Wyniki prac z kopalni Miechowice. Archiwum Górnictwa t. 1, 1956, z. 4.

[5 ] Fajklewicz Z.s Detection of faults in the BD coal mine by means of microgravity measurements. Bulletin de l' Académie Polonaise des Scien­

ces, Série des Sciences Géologique et Géographique, 1963, vol. XI., no 4»

[6] Pajklewicz Z.: An attempt at plotting the roof of the carboniferous layer in the BD mine by means of microgravity measurements, Bulletin de l' Académie Polonàise des Sciences, Série des Sciences Géologique et Géographique, vol. XII, 1964, no 1.

[7 ] Pajklewicz Z.: Zastosowanie metod geofizycznych do wykrywania usko­

ków i pustek w górotworze. Ochrona terenów Górniczych, 1967, nr 2.

[8] Pajklewicz Z. Sposób kontroli przemieszczania stref odkształceń w górotworze wywołanych podziemną eksploatacją górniczą lub pustkami występującymi w górotworze. Patent PRL nr 73609, 1971«

[9] Pajklewicz Z.s Pustki poeksploatacyjne i odkształcenia objętościowe górotworu w świetle pomiarów gradientu pionowego siły ciężkości i jej mikroanomalii. Przegląd Górniczy nr 10, 1972.

[10] Fajklmvicz Z . : Pionowe ¡-rze kroje pola siły ciężkości i ich związek z odkształceniami górotworu. äs3zyty Naukowe ¿.GK, Górnictwo z. 76, K r a k ó w 1 9 7 5 «

[11] Pankiewicz 3. s Zastosowani e n.ikrograwimetrii w górnictwie węglowym.

Publications of the Institut' of Geophysics Polish Academy of Scien­

ces, vol. 97, 197C.

[1?] Pajklewicz Z.: Versuch zur Voraussage von Gebirgssohlägen bei Anwen­

dung der mikrogravimeirische;' üethode» XV Internationales Symposium für ilarksoheidewesen, Aschen, 2J-29 September, 1979.

[13] Pajklewicz Z.s Czasowe zmiany siły ciężkości i ich związek z eksplo­

atacja górniczą. Publ. Inst. Geophys. Aoad. Sc., H-3/134, 1980 a.

[14] Pajklewicz 3.s Mikrograw ino tria Górnicza, 7/yd. "Ćląsk?, Katowice, 1980 b.

[15] Pajklewicz Z.s Pierwsze próby prognozowania wstrząsów górniczych metoda mikrograwimetryc ..rt* Przegląd Górniczy, T. 37, nr 10, s. 517- -525, 1981.

£16] Pajklewicz Z.s Root, lurot forecasting and genetic research in coal­

mines by miorogravity method, Geophysical Prospecting 31, 748-765, 1983.

[17] Pajklewicz Z., Jo.itl K., Ostrowski C.s V/yniki prognozowania wstrzą­

sów górniczych i deformacji górotworu metoda mikrograwimetryczna_w kopalni "Szombierki", 'irzuglad Górniczy, T. 38, nr 10, s. 121-125, . 1982.

[18] Mjachkin V.J., Brace 7.’.P., Sobolew G.A. and Dieterich J.H.s Two mo­

dels for earthquake forerunners, Pageoph 113, 169-181, 1975.

Recenzents Prof. dr hab. inż. Erast Konstantynowioz

'Jpłynęło do Redakcji w ¡aarcu 1935 r.

MHKPOrPABHUETPH'qEJKilE

HBJIEHHit, nPOHGXOAHIiU-i .3 I’iWi;>AX UE09AHHKA llO.Il AEÓCT3HEM SKCIUiyATAIGlH IwIACTOB 7IJI.H

P e a n u e

ri pa^oTe npeACtasjieHH p e a y jib T a la aaxporpaBHaeTpaqecxax HCCJiexoBaHaft au- nojiHeHbEX b 3owe maxinoro noxx yroxbH oft aaxxu "QloudepxH". Uestbn _{a i a x} pa6oi 6hUIO BbLSBXe'IHe C.IBHI'OB, npope3HBajJWHX rpXXH neCOaHHKa XpeqXH, 30H pa3pHB0B a ocjiaOneKak, BucTynaxqax b hhx. rpaqu necqaaaxa 3aneraui b ropHux nopoqax, oxpyxanqax noxroiaBxaBaeaae x e x c n x o a ia u a a napina njiacioB cegJiooöpa3Hbix

•roxq.

npoBeqeaHue aaxporpaBBM eTpaqecxae iisuepeKaa no3Boaaaa o ix p m b 8 cxbhtob a Tpeqaa npopesuBaoqax rpaqu necaaHHxa.

¡IiecTb aa hhx HxeHTacpaqaposaHO y ae b npoqecce sK cn x o aiau aa nxacTOB oJiq) 5 0 1 , 507 b uccxexyeaoa pafioae.

P e a y x b z a s i i a c c x e x o B & a a l t c o x e f l c T B O B a j i x o n p e q e j i e a H D C T e n e a a y r p o3u b o3u o x - H o c i a n o a a x e a a a r o p a u x y x a p o B a x a tojsbkob b p a S t o a e a a x p o r p a B a a e T p H q e c x a x K C c x e x o B a a a t .

2. Fajklewicz, K. Jakiel

laCHOGRAVIiniTRIC OF PHSSKK3HA OCCURRING IN SANDSTONE INFLUENCED B- COAL BED 'EXPLOITATION

S a m v. a r y

Thu .results of raicrogravine trie tests carried out in HE part of mining area of the "Ssombierki" coal mine are presented in the paper. The aim of these tests was to find faults, slits crossing sandstones, fracture zones and weak points in them. Sandstone is present in a rook surrounding the beds of saddle strata ready for mining.

liicrogravimetric measurements allowed to find out 8 faults and slits crossing the sandstone.

Six of them were identified still during the mining of beds 501 and 507 in the area being investigated.

i’he test results helped us to define the grade of threatening with possibility of crumps or tremors occurrence in the observed area.